王以軍,孫成玲

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

1 前言

沙河抽水蓄能電站安裝2臺(tái)50 MW水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，其主要特征參數(shù)：上水庫(kù)正常蓄水位136 m，正常消落水位120 m，死水位116 m；下水庫(kù)最高水位19.5 m，最低水位15 m，正常水位17.5～19.0 m；水輪機(jī)工況運(yùn)行最大毛水頭121 m，正常情況下運(yùn)行最小毛水頭100.5 m，極端運(yùn)行最小毛水頭96.5 m，額定凈水頭97.7 m；水泵工況運(yùn)行最大毛揚(yáng)程為121 m，正常情況下最小毛揚(yáng)程100.5 m，非常情況下最小毛揚(yáng)程96.5 m。

轉(zhuǎn)輪由原法國(guó)阿爾斯通提供，該轉(zhuǎn)輪主要由上冠、下環(huán)、葉片及泄水錐等部件組成，材質(zhì)為馬氏體不銹鋼，標(biāo)稱直徑為3.32 m。2009年，原法國(guó)阿爾斯通提供的轉(zhuǎn)輪均出現(xiàn)了裂紋、孔洞、空蝕（圖1）等問(wèn)題。為防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，影響機(jī)組安全運(yùn)行，2009年～2017年每年停機(jī)兩次對(duì)轉(zhuǎn)輪問(wèn)題進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)、維修。多次維修情況表明，通過(guò)維修不能有效消除轉(zhuǎn)輪裂紋隱患[1]。

圖1 轉(zhuǎn)輪上的裂紋、孔洞、空蝕

2 改造過(guò)程

2.1 確定制造單位

為有效消除轉(zhuǎn)輪裂紋隱患，2018年，沙河抽水蓄能電站就1、2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造項(xiàng)目從安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、進(jìn)度等方面進(jìn)行了可行性研究，經(jīng)投資決策咨詢委員會(huì)及投資決策工作委員會(huì)等專家組的評(píng)審論證，一致認(rèn)為沙河抽水蓄能電站轉(zhuǎn)輪改造安全上是迫切的，技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上可產(chǎn)生一定的效益。為了確定合格的轉(zhuǎn)輪制造單位，沙河抽水蓄能電站委托某招標(biāo)公司進(jìn)行公開(kāi)招標(biāo)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司中標(biāo)。

2.2 新轉(zhuǎn)輪研發(fā)制造

舊轉(zhuǎn)輪裂紋、孔洞、空蝕等問(wèn)題主要由于原法國(guó)阿爾斯通水力設(shè)計(jì)存在缺陷以及制造工藝控制不嚴(yán)造成，其中設(shè)計(jì)缺陷是首要因素。為此制造廠組建經(jīng)驗(yàn)豐富的研發(fā)、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，從舊轉(zhuǎn)輪裂紋、孔洞、空蝕產(chǎn)生的原因入手，結(jié)合沙河抽水蓄能電站特征水頭變化（下水庫(kù)最低水位由13 m調(diào)整為15 m）、運(yùn)行權(quán)重調(diào)整、上下水庫(kù)庫(kù)容、機(jī)組容量、輸水系統(tǒng)特性以及2臺(tái)機(jī)組近10年（2010年～2019年）的運(yùn)行數(shù)

收稿日期：2022-01-05

作者簡(jiǎn)介：王以軍（1975-），男，高級(jí)工程師，從事抽水蓄能電站生產(chǎn)管理工作。據(jù)等，進(jìn)行“量體裁衣”式水力研發(fā)工作，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、CFD優(yōu)化分析、模型試驗(yàn)[2]等多個(gè)環(huán)節(jié)，先后投入3個(gè)模型轉(zhuǎn)輪，于2019年10月獲得了綜合性能優(yōu)于原法國(guó)阿爾斯通模型轉(zhuǎn)輪的A1555模型轉(zhuǎn)輪[3]，其抗空化特性和穩(wěn)定性指標(biāo)得到顯著改善。

2019年11月～2021年4月，根據(jù)模型轉(zhuǎn)輪、水泵水輪機(jī)軸、頂蓋、座環(huán)、尾水管等特征參數(shù)，設(shè)計(jì)制造新轉(zhuǎn)輪（圖2）。（1）將模型轉(zhuǎn)輪等比例放大8.3倍轉(zhuǎn)化為新轉(zhuǎn)輪，優(yōu)選轉(zhuǎn)輪材料、轉(zhuǎn)輪D2/D1值等幾何參數(shù)，新轉(zhuǎn)輪重量為14.847 t，較舊轉(zhuǎn)輪增加1.55 t，加強(qiáng)了葉片剛強(qiáng)度。新轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片、泄水錐均采用抗空蝕、抗磨蝕并具有良好焊接性能的超低碳優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料ZG04Cr13Ni5Mo(VOD)，較舊轉(zhuǎn)輪（0Cr13Ni4Mo）增加了Ni的成分，增強(qiáng)了不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性。（2）對(duì)新轉(zhuǎn)輪與水機(jī)軸的裝配方式進(jìn)行了優(yōu)化，改為軸傳扭、銷定位、螺栓緊固的方式，并對(duì)原水機(jī)軸進(jìn)行配加工。（3）新轉(zhuǎn)輪外形尺寸與舊轉(zhuǎn)輪尺寸保持一致，即最大外形尺寸仍為Φ3 360 mm×1 310 mm。同時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉未作更換，僅對(duì)下固定止漏環(huán)進(jìn)行更換，采用不銹鍛鋼0Cr18Ni9,硬度低于轉(zhuǎn)輪對(duì)應(yīng)的位置40 HB以上，接口尺寸與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)完全一致。

圖2 新轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖

2.3 新轉(zhuǎn)輪安裝試驗(yàn)

2021年4月～6月，1號(hào)機(jī)新轉(zhuǎn)輪安裝期間，根據(jù)水泵水輪機(jī)安裝技術(shù)規(guī)范、制造單位提供的安裝要求，嚴(yán)格控制新轉(zhuǎn)輪中心、水平、聯(lián)軸螺栓預(yù)緊力等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保障了新轉(zhuǎn)輪與水機(jī)軸的同心度、垂直度滿足要求。新轉(zhuǎn)輪安裝完畢，同時(shí)開(kāi)展了1號(hào)機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)、新轉(zhuǎn)輪與調(diào)速器協(xié)聯(lián)試驗(yàn)、穩(wěn)定性試驗(yàn)、效率試驗(yàn)等，有效消除了由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件動(dòng)不平衡對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。

3 改造效果

轉(zhuǎn)輪改造后近7個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果表明，沙河抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪國(guó)產(chǎn)化改造項(xiàng)目取得安全、經(jīng)濟(jì)雙豐收。

3.1 改善轉(zhuǎn)輪空化性能

沙河抽水蓄能電站轉(zhuǎn)輪裂紋問(wèn)題主要是在水泵工況運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的，如圖3所示。原法國(guó)阿爾斯通提供的轉(zhuǎn)輪的初生空化（如圖3帶三角虛線所示）結(jié)果和臨界空化（如圖3帶方框虛線所示）結(jié)果部分水頭范圍內(nèi)進(jìn)入機(jī)組運(yùn)行區(qū)域，新轉(zhuǎn)輪在全部運(yùn)行水頭范圍內(nèi)（最小毛揚(yáng)程96.5 m-最大毛揚(yáng)程121 m），均不存在初生空化（如圖3帶三角實(shí)線所示）和臨界空化（如圖3帶方框?qū)嵕€所示）現(xiàn)象，即有效消除轉(zhuǎn)輪裂紋隱患。

圖3 新舊轉(zhuǎn)輪空化性能

另外，模型水力試驗(yàn)測(cè)得水泵初生空化系數(shù)(σi)和臨界空化系數(shù)(σ0.5)均低于沙河抽水蓄能電站空化系數(shù)(σpl)，且具有較大安全裕量（見(jiàn)表1），滿足電站空化特性指標(biāo)要求，能夠保證轉(zhuǎn)輪無(wú)空化運(yùn)行。

表1 水泵空化試驗(yàn)結(jié)果

3.2 提升機(jī)組穩(wěn)定性

新轉(zhuǎn)輪安裝期間，采取控制金剛砂噴涂質(zhì)量、上機(jī)架水平、推力頭與發(fā)電機(jī)軸頭同心、彈性盤車、動(dòng)平衡配置等系列措施，致使機(jī)組振動(dòng)、擺度等主要運(yùn)行參數(shù)得到了大幅改善，滿足DL/T 507-2002《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》要求，達(dá)到ISO7919-5標(biāo)準(zhǔn)的A區(qū)水平（即最優(yōu)水平，機(jī)組可不加限制地運(yùn)行）。投產(chǎn)初期、首輪A修前后、轉(zhuǎn)輪改造前后各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪改造后機(jī)組穩(wěn)定性得到了較大的改善，綜合運(yùn)行水平優(yōu)于投產(chǎn)初期及上一輪A修后的水平，達(dá)歷史最優(yōu)（見(jiàn)表2）。

表2 1號(hào)機(jī)振擺參數(shù)變化情況

轉(zhuǎn)輪改造后，額定負(fù)荷下，發(fā)電穩(wěn)定工況：上導(dǎo)擺度下降68%，下導(dǎo)擺度下降57%，水導(dǎo)X軸擺度持平，Y軸擺度略有下降，上機(jī)架X軸水平振動(dòng)下降85%，下機(jī)架X軸水平振動(dòng)下降68%，頂蓋X軸水平振動(dòng)下降65%；抽水穩(wěn)定工況：上導(dǎo)擺度下降60%左右，下導(dǎo)X軸擺度下降30%，水導(dǎo)X軸擺度下降20%，下導(dǎo)及水導(dǎo)Y軸擺度數(shù)值持平，上機(jī)架X軸振動(dòng)下降82%，下機(jī)架X軸水平振動(dòng)下降43%；頂蓋X軸水平振動(dòng)下降65%。

3.3 增加機(jī)組效率

3.3.1 機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率提升約1.29%

為了使1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪改造前后機(jī)組運(yùn)行條件相同，沙河抽水蓄能電站于2021年6月12日～8月8日特向調(diào)度部門申請(qǐng)與改造前具有可比性的運(yùn)行模式：即每天完成上水庫(kù)一池水（上水庫(kù)▽120～▽136庫(kù)容為205.55萬(wàn)m3）的抽發(fā)過(guò)程，通過(guò)測(cè)試1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪改造后機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率提升約1.29%，每年可增加收益106萬(wàn)元（按年發(fā)電量1.82億kW·h、能量轉(zhuǎn)換效率增加1.29%、每kW·h電費(fèi)0.45元計(jì)算）。

表3 全廠能量轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)

3.3.2 水輪機(jī)工況效率平均提升約1.33%

轉(zhuǎn)輪改造前后機(jī)組效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪改造后，其整個(gè)發(fā)電工況下的效率均有不同程度的提升。其中高水頭提升約1.15%；中水頭提升約1.74%；低水頭提升約1.11%。

經(jīng)模型機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算到原型機(jī)組：運(yùn)行范圍內(nèi)水輪機(jī)工況原型最高效率為93.00%，滿足合同值不低于92.83%的要求；水輪機(jī)工況原型加權(quán)平均效率為91.28%，高出合同保證值0.28%。

圖4 新舊轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)工況效率對(duì)比

3.3.3 水泵工況效率提升約1.18%

轉(zhuǎn)輪改造前后機(jī)組效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：1號(hào)機(jī)整個(gè)抽水工況下的效率均比轉(zhuǎn)輪改造前有明顯提高，其效率較轉(zhuǎn)輪改造前提升約1.18%。

經(jīng)模型機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算到原型機(jī)組：原型水泵最高效率為93.45%，滿足合同值不低于93.44%的要求；原型水泵加權(quán)平均效率為93.21%，高出合同保證值0.19%。

圖5 新舊轉(zhuǎn)輪泵工況效率對(duì)比

3.4 泵工況駝峰裕度3.6%

1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪改造后，其水泵工況駝峰安全裕度[5]為3.6%，滿足合同規(guī)定的駝峰裕度不小于2%的要求。

4 結(jié)論

沙河抽水蓄能電站轉(zhuǎn)輪改造項(xiàng)目是通過(guò)公開(kāi)招投標(biāo)方式確定新轉(zhuǎn)輪研發(fā)、制造單位，是真正意義上的國(guó)內(nèi)制造廠對(duì)進(jìn)口抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)輪的國(guó)產(chǎn)化改造，該項(xiàng)目的成功完成，說(shuō)明國(guó)內(nèi)抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)、制造水平已從“跟跑”轉(zhuǎn)向“并跑”，其中某些領(lǐng)域甚至達(dá)到“領(lǐng)跑”水平，如低水頭“S”特性、無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)等。在未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)大發(fā)展的推動(dòng)下，“中國(guó)制造-抽蓄”將成為世界上認(rèn)知度最高的標(biāo)簽之一。